采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物(Cr-Al)涂層，研究了1050 ℃下該涂層在空氣中的高溫氧化行為。采用X- 射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS) 等方法分析了Cr-Al 涂層在高溫氧化過程中相結(jié)構(gòu)、顯微組織和成分的演變規(guī)律，結(jié)果表明：經(jīng)1050 ℃氧化300 h 后，該涂層的氧化動力學(xué)曲線符合拋物線演變規(guī)律，Cr-Al 涂層的涂覆提高了基體合金的抗高溫氧化性能；高溫氧化200 h 內(nèi)涂層保持良好的表面形貌，而經(jīng)過300 h 氧化后涂層出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化膜剝落現(xiàn)象；揭示了在高溫氧化條件下Cr-Al 涂層退化的相變過程，涂層區(qū)相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程為β-NiAl 相→β-NiAl 相(主)+γ′-Ni3Al 相(次)；擴(kuò)散區(qū)相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程為β-NiAl 相+ 析出相→β-NiAl 相(主)+γ′-Ni3Al 相(次) + 析出相→γ′-Ni3Al 相(主) +β-NiAl 相(次) + 析出相→γ′-Ni3Al 相+ 析出相。

　　隨著高推重比航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，其渦輪葉片的使用環(huán)境更為苛刻，這對葉片材料的性能提出了更高的要求，材料需要同時(shí)兼顧高溫下的力學(xué)性能和抗高溫氧化與熱腐蝕性能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，渦輪葉片從多晶合金逐漸發(fā)展為定向鑄造以及單晶合金，其中單晶高溫合金消除了晶界這一高溫下的弱化因素，使得其高溫下的力學(xué)性能得到大幅度的提高。高溫氧化和熱腐蝕問題是單晶渦輪葉片應(yīng)用過程中主要的失效形式，氧化和腐蝕現(xiàn)象一旦出現(xiàn)就會使基體材料直接受到損傷而導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降。而針對該現(xiàn)象，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為必須施加高溫防護(hù)涂層以延長基體合金材料的使用壽命。

　　目前鋁化物涂層作為鎳基單晶高溫合金葉片外表面及內(nèi)腔的防護(hù)涂層已獲得廣泛應(yīng)用。鋁涂層與基體合金有著良好的結(jié)合能力，并且能在高溫氧化環(huán)境中形成具有一定自愈合能力的氧化鋁膜層，可有效緩解涂層進(jìn)一步發(fā)生高溫氧化現(xiàn)象。但是單一的鋁化物涂層存在著易于退化、不耐熱腐蝕等缺點(diǎn)，采用改性的鋁化物涂層來部分替代單一鋁化物涂層是克服其缺點(diǎn)的有效途徑。在鋁化物涂層內(nèi)添加鉻元素制備出的Cr-Al 涂層能有效地降低涂層退化速率，減緩富鎳的β-NiAl相中的馬氏體轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生，提高涂層的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗熱腐蝕能力。另外Cr 元素的存在還可以促進(jìn)涂層表面發(fā)生鋁元素的選擇性氧化從而降低形成具有保護(hù)性氧化鋁膜所需的臨界鋁元素含量。

　　目前Cr-Al 涂層的制備工藝基本上集中在包埋共滲、物理氣相沉積和電沉積，但是采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備Cr-Al 涂層的研究報(bào)道至今仍然很少，CVD 技術(shù)以其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(產(chǎn)物純度高、繞鍍性好等)理應(yīng)更廣泛的應(yīng)用在涂層的制備工藝上。

　　本文采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在鎳基單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物涂層，在1050 ℃高溫氧化條件下，通過Cr-Al 涂層的氧化動力學(xué)、相結(jié)構(gòu)、顯微組織和成分等演變規(guī)律系統(tǒng)研究，深入探討Cr-Al 涂層的高溫氧化行為，并揭示了涂層在高溫氧化環(huán)境下可能的相變機(jī)理。

　　1、試樣制備與試驗(yàn)方法

　　1.1、試樣制備

　　采用鎳基單晶高溫合金(15 mm×10 mm×1.5 mm)作為基體材料，其名義成分如表1 所示。合金基體經(jīng)600 號金相砂紙打磨及濕吹砂處理后，用丙酮進(jìn)行超聲波清洗、烘干。

表1 鎳基單晶高溫合金基體的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

　　采用(ALUVAP CVA 190 BL L-Single)型化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備Cr-Al 涂層。Cr-Al 涂層制備方式為：首先沉積Cr 層，其沉積工藝參數(shù)為1000 ℃下反應(yīng)1 h，真空室壓力0.005~0.02 MPa；其次在Cr 層表面直接制備Al 層，其相應(yīng)的沉積工藝為1050 ℃下反應(yīng)3 h，真空室壓力0.01~0.03 MPa。

　　1.2、試驗(yàn)方法

　　靜態(tài)氧化試驗(yàn)參照HB 5258—2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗(yàn)方法》，在高溫馬弗爐中進(jìn)行，試驗(yàn)溫度1050 ℃，試驗(yàn)時(shí)間分別為100 h、200 h 和300 h。采用X 射線衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance)分析涂層相結(jié)構(gòu)，采用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI-Quanta 600)分析涂層的表面及橫截面顯微形貌，同時(shí)借助能譜儀(EDS，Oxford INCAx-sight 6427)檢測相關(guān)區(qū)域的涂層成分。

　　3、結(jié)論

　　(1)在同一試驗(yàn)條件下，Cr-Al 涂層的涂覆使單晶合金的抗氧化性能提高了2 倍以上；

　　(2)隨著氧化時(shí)間的延長，涂層內(nèi)出現(xiàn)了α-Al2O3、γ′-Ni3Al 和NiO 三種新的物相；

　　(3)經(jīng)1050 ℃氧化300 h 后，涂層表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化皮剝落現(xiàn)象且呈現(xiàn)出三種不同的組織形貌；

　　(4)Al 元素含量的降低導(dǎo)致Ni3Al 相大量生成和Ni3Al 相非正常氧化引起的氧元素內(nèi)擴(kuò)散通道形成是導(dǎo)致Cr-Al 涂層高溫退化的主要原因之一。